Analytické metody pro provozní výzvy v mřížových sítích nízkého napětí

Abstract

Tato disertační práce se zaměřuje na mřížové distribuční sítě, které přinášejí specifické provozní výzvy v oblasti analýzy, optimalizace, chránění a diagnostiky. Impulsem pro řešení této problematiky je jak nedostatek publikovaného výzkumu v oblasti mřížových topologií, tak i praktické potřeby spolupracujícího provozovatele distribuční soustavy. Jako základ pro simulace, případové studie a návrh nových metod byl vytvořen reprezentativní numerický model městské sítě nízkého napětí s mřížovou strukturou. Práce se zabývá čtyřmi hlavními oblastmi souvisejícími s poruchovými stavy: zkraty v mřížové síti, poruchami v napájecí síti vysokého napětí, výpadky napaječů s následným rizikem kaskádních poruch a přerušením pojistek v síti nízkého napětí. Je představena nová metodika výpočtu nárazových zkratových proudů, která zohledňuje proudově omezující účinek pojistek, a jsou porovnány optimalizační metody pro rekonfiguraci sítě s cílem minimalizovat nadměrné zkratové proudy. Dále je analyzována ochrana proti zpětným tokům činného výkonu ze sítě nízkého do sítě vysokého napětí a je navržen postup pro odvození selektivních nastavení těchto ochran na základě simulací poruch. Simulace výpadků více napáječů vysokého napětí byly provedeny za účelem posouzení odolnosti sítě a identifikace jejích nejslabších prvků, čímž je poukázáno na riziko kaskádního šíření poruch. Rovněž je navržena metoda detekce přerušení pojistek v síti nízkého napětí, založená na sledování změn proudů na jednotlivých vývodech v distribučních transformačních stanicích v rámci zavedení distribuovaného měřicího systému. Prezentovaný výzkum přináší unikátní model evropské mřížové testovací sítě a nové přístupy přizpůsobené této topologii, jejichž cílem je zvýšit bezpečnost a efektivitu provozu. Disertační práce přináší jak metodologické přínosy, tak praktické nástroje využitelné provozovateli distribuční soustavy, a zároveň otevírá nové směry budoucího výzkumu v oblasti optimalizace a diagnostiky mřížových distribučních sítí.

The thesis focuses on meshed distribution networks, which pose distinct operational challenges in analysis, optimization, protection, and diagnostics. The work is motivated by the lack of state-of-the-art research on meshed topologies and by practical needs expressed by a cooperating distribution system operator. A representative numerical model of an urban low-voltage meshed network is developed as the basis for simulations, case studies, and the design of new methods. The thesis addresses four main areas concerning fault scenarios: short circuits in the meshed network, faults in the upstream network, feeder outages with cascading failures, and interruptions of low-voltage fuses. A new methodology for calculating peak short-circuit currents is introduced, incorporating the current-limiting effect of fuses, and optimization methods for network reconfiguration are compared with the aim of minimizing excessive fault current levels. Upstream active power flow protection is analyzed, with a procedure proposed for deriving selective protection settings based on simulated medium-voltage fault scenarios. Simulations of multiple medium-voltage feeders’ outages are conducted to assess the network resilience and identify the weakest elements in the network, pointing out the danger of cascading failures. Furthermore, a threshold-based method for detecting low-voltage fuse interruptions was designed and tested, based on distributed measurement system monitoring current changes in low-voltage feeders. The presented research delivers a unique European-style meshed test network model and novel approaches tailored to this topology, aiming to advance secure and efficient operation. The thesis contributes both methodological advances and practical tools applicable for distribution system operators, while also opening directions for future research on optimization and diagnostics in meshed distribution networks.